Contribution à la fabrication additive dans la construction : conception d’une tête d’impression intelligente, et matériaux de construction

Contribution to additive manufacturing in construction : smart head printer design and materials of construction

• Auteur / Autrice : Andry Zaid Rabenantoandro
• Direction : Zoubeir Lafhaj, Thomas Bock
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 24/11/2020
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle - Laboratoire de Mécanique Multiphysique Multiéchelle / LaMcube
• Jury : Président / Présidente : Richard Gagné
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Rayna, Zakaria Dakhli, Daniel Hall
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Tamara Al-Bittar, Agnès Jullien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Essais

Matériaux

Construction

Construction industrialisée

Interaction homme-robot

Procédés de fabrication -- Automatisation

Impression 3D

Mots clés libres

Impression 3D

Procédés de fabrication – Automatisation

Interaction Homme-Robot

Construction Industrialisée

Construction -- Matériaux

Matériaux – Essais

3D printing

Manufacturing process- - Automation

Human-Robot Interaction

Industrialized Construction

Construction -- Materials

Materials - Testing

Résumé

L’impression 3D en construction connait un développement exponentiel dans le domaine de la construction. Cette thèse examine l'utilisation des solutions industrielles existantes pour répondre au besoin de l’impression 3D basé sur l'extrusion dans le secteur de la construction. Il n'existe pas de lignes directrices pertinentes pour l’impression 3D en termes de spécification des machines ou de formulation des matériaux. Une étude prospective a été réalisée afin de comprendre l'aspect multidisciplinaire de l'impression 3D. Les principes de la fabrication additive ont été mis en évidence avec ses avantages, ses applications et ses limites. Le processus d'impression 3D a été formalisé en 5 phases distinctes pour la construction. Ainsi, un cadre de travail pour l'impression 3D dans la construction, basé sur la technique d'extrusion, a été proposé. Une introduction du concept de système de système et un niveau d'automatisation intelligent de l'impression 3D dans la construction ont été proposés. Cette partie a été réalisée en complément du cadre de normalisation de la fabrication additive dans la construction. À l'appui du raisonnement scientifique pour concevoir la solution d'impression 3D appropriée, un système global composé de 5 sous-systèmes a été défini. Une approche expérimentale pour l'évaluation de l'imprimabilité a été développée. Elle a consisté en des tests simples et une analyse sans dimension pour caractériser l'imprimabilité des matériaux cimentaires à l'aide d'indicateurs spécifiques. Une tête d’impression a été conçue sur la base de fonctionnalités d'entrée telles que la possibilité d'activer un matériau inerte dans la tête et un contrôle du flux du matériau sortant.

3D printing in construction is growing exponentially. This thesis examines the use of existing industrial solutions to meet the need for extrusion-based 3D printing in the construction sector. There are no relevant guidelines for 3D printing in terms of machine specification or material formulation. A prospective study has been carried out to understand the multidisciplinary aspect of 3D printing. The principles of additive manufacturing were highlighted with its advantages, applications and limitations. The 3D printing process was formalized in 5 distinct phases for construction. Thus, a framework for 3D printing in construction, based on the extrusion technique, was proposed. An introduction of a system of system concept and an intelligent level of automation for 3D printing in construction were proposed. This part was realized as a complement to the standardization framework for additive manufacturing in construction. In support of the scientific reasoning to design the appropriate 3D printing solution, an overall system consisting of 5 subsystems was defined. An experimental approach for the evaluation of printability was developed. It consisted of simple tests and dimensionless analysis to characterize the printability of cementitious materials using specific indicators. A print head was designed based on input functionalities such as the possibility to activate an inert material in the head and a control of the outgoing material flow.